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星载单光子激光雷达海洋噪声模型

红外与毫米波学报 2024年第3期43卷 391-396页

作者：杨坚马跃于文博李少辉余婧王倩莹李松武汉大学电子信息学院湖北武汉430072 中国空间技术研究院北京100098 武汉量子技术研究院湖北武汉430206

星载单光子激光雷达以超高灵敏度和超高重频的优势,在海洋探测领域展现了广泛的应用前景。雷达系统中的单光子探测器件具有极高的灵敏度,可以探测光子量级的回波信号,同时也极易受太阳背景光噪声影响。由于背景噪声直接影响激光雷达的... 详细信息

星载单光子激光雷达以超高灵敏度和超高重频的优势,在海洋探测领域展现了广泛的应用前景。雷达系统中的单光子探测器件具有极高的灵敏度,可以探测光子量级的回波信号,同时也极易受太阳背景光噪声影响。由于背景噪声直接影响激光雷达的工作性能,还会对星上原始的数据量产生影响,在卫星系统设计阶段,对噪声强度的准确估计至关重要。本文综合考虑大气后向散射、水面反射及水体后向散射的贡献,建立了一个星载单光子激光雷达海洋噪声的估计模型。以全球首个对地观测星载激光雷达ATLAS为例,在输入系统参数和环境参数后,模型估计的噪声与ATLAS实测噪声误差在15%以内,证实了该噪声模型的正确性。

关键词：光子计数激光雷达海洋探测噪声模型

面向外辐射源雷达发射站定位的合作无人机航迹规划方法研究

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电子与信息学报 2024年第5期46卷 2057-2064页

作者：万显荣武冰倩易建新胡仕波武汉大学电子信息学院武汉430072

在广域未知环境中,外辐射源雷达机动部署常面临难以及时获取第三方发射站精确位置信息的难题。为此,该文提出一种基于合作无人机航迹规划的发射站定位方法。首先,利用单个无人机作为合作目标,建立2维场景下的定位模型和量测方程,并采用... 详细信息

在广域未知环境中,外辐射源雷达机动部署常面临难以及时获取第三方发射站精确位置信息的难题。为此,该文提出一种基于合作无人机航迹规划的发射站定位方法。首先,利用单个无人机作为合作目标,建立2维场景下的定位模型和量测方程,并采用列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt, LM)算法进行解算。然后,构建融合Fisher信息和控制参数约束的优化函数,对无人机航迹进行动态规划,从而提高发射站定位的精度和方法的实用性。最后,仿真实验表明,在最大控制距离约束下,所提方法的定位结果优于直线航迹和经典优化航迹,最终发射站定位精度小于双基距离差量测标准差,能够满足外辐射源雷达系统目标探测定位的应用要求。

关键词：外辐射源雷达发射站定位无人机航迹规划

SAMI2模型理论研究顶部电离层分季夜间中纬电离峰的形成机制

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地球物理学报 2024年第8期67卷 2875-2885页

作者：胡坤蔡红涛张宏杨璐冰陈睿一武汉大学电子信息学院武汉430072

近年来多种观测表明夜间中纬电离层存在电离密度峰值,但是夜间中纬电离峰(Mid-latitudinal Ionization Peak,MIP)结构的形成机制尚不完善.利用Swarm-A卫星观测数据,本文首先统计了地磁平静期分季夜间中低纬电离层电离密度的空间分布,结... 详细信息

近年来多种观测表明夜间中纬电离层存在电离密度峰值,但是夜间中纬电离峰(Mid-latitudinal Ionization Peak,MIP)结构的形成机制尚不完善.利用Swarm-A卫星观测数据,本文首先统计了地磁平静期分季夜间中低纬电离层电离密度的空间分布,结果表明夜间MIP结构在低太阳活动强度和午夜后最显著,主要出现在磁纬±40°附近.然后,本文首次使用SAMI2模型成功重现了低太阳活动强度春分日地磁平静期夜间MIP结构,模拟结果表明MIP结构在午夜后和顶部电离层-等离子体层最显著.通过重构SAMI2模型中电离层电离密度连续性方程的计算揭示了各种物理过程对于450 km高度顶部电离层夜间MIP结构的贡献.日落前后东太平洋扇区率先形成南半球MIP结构,中纬电离层较长时间的光电离、东向磁偏角导致的赤道向中性风和较弱的PRE电场均有利于其形成.深夜MIP结构的形成机制主要是西向纬向电场导致的向内E×B漂移,通过快速降低低纬电离层电离密度形成MIP结构.模拟结果还表明中性风对于夜间MIP结构的贡献取决于其等效垂直风的地方时-纬度分布.

关键词：中纬电离峰 Swarm-A卫星 SAMI2模型理论研究

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地磁平静期赤道电集流的建模研究

地球物理学报 2024年第7期67卷 2519-2527页

作者：文昕周云良熊超武汉大学电子信息学院武汉430072

本文利用Swarm-A卫星从2013年11月到2023年2月近十年观测的赤道电集流(Equatorial Electrojet,EEJ)数据,挑选地磁活动平静时(Kp≤3)EEJ的峰值电流密度为研究对象,构建了一个以经度、地方时、季节、太阳辐射通量和月相为参数的EEJ经验模... 详细信息

本文利用Swarm-A卫星从2013年11月到2023年2月近十年观测的赤道电集流(Equatorial Electrojet,EEJ)数据,挑选地磁活动平静时(Kp≤3)EEJ的峰值电流密度为研究对象,构建了一个以经度、地方时、季节、太阳辐射通量和月相为参数的EEJ经验模型.将模型计算的EEJ与上述建模所用的Swarm-A卫星实测的EEJ进行比较发现,两者的相关系数约为0.76,平均绝对误差(均方根误差)约为20.91(27.32)mA·m^(-1).该模型可较好地反映Swarm-A卫星从2013年11月到2023年2月观测到的EEJ典型特征,比如,EEJ的幅度随着太阳辐射通量的增加而增加;EEJ有明显的日变化特征,在正午出现峰值,日出附近常出现反向EEJ;EEJ随经度变化呈现显著的波状结构;EEJ的季节变化特征明显,二分季节附近出现峰值,二至季节附近出现谷值;月相对EEJ产生明显影响,正午的EEJ在新月和满月附近出现极大值.为了进一步检验上述建立的EEJ模型的性能,我们利用Swarm-B卫星2013年11月到2023年2月期间地磁平静条件下观测的EEJ数据,对上述模型进行了验证,结果表明本文所建立的EEJ模型能较好地重现Swarm-B卫星观测的EEJ变化.

关键词：赤道电集流 Swarm星座经验模型

基于数据失真的雷达通信一体化OFDM波形设计方法

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雷达学报（中英文） 2024年第1期13卷 160-173页

作者：刘燕万显荣易建新武汉大学电子信息学院武汉430072

正交频分复用(OFDM)波形设计是实现雷达通信一体化的物理层关键技术之一。OFDM波形通常存在峰均功率比(PAPR)高,以及波形自相关旁瓣电平高的问题。该文针对现有联合降低PAPR和自相关旁瓣方法存在的通信速率下降问题,提出了一种基于数据... 详细信息

正交频分复用(OFDM)波形设计是实现雷达通信一体化的物理层关键技术之一。OFDM波形通常存在峰均功率比(PAPR)高,以及波形自相关旁瓣电平高的问题。该文针对现有联合降低PAPR和自相关旁瓣方法存在的通信速率下降问题,提出了一种基于数据失真的一体化波形设计方法。该文还将通信数据的误差矢量幅度作为优化目标之一,降低了数据失真引起的通信误码率。首先,构建了PAPR约束下最小化积分旁瓣比和误差矢量幅度的优化模型。其次,根据调制星座图特点,通过外围星座调制的数据失真和所有调制数据失真,将多目标高维非凸优化问题转化为两个单目标优化子问题,分别采取凸松弛操作和交替方向乘子法(ADMM)求解简化后的子问题,得到低积分旁瓣比波形和PAPR约束下的低误差矢量幅度波形。仿真结果表明该方法设计的一体化波形可满足PAPR要求,同时具有良好的感知和通信性能。

关键词：波形设计雷达通信一体化正交频分复用(OFDM) 峰均功率比(PAPR) 旁瓣误差矢量幅度

哨声模合声波对辐射带电子扩散系数的多维建模及损失时间尺度建模研究

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地球物理学报 2024年第5期67卷 1679-1698页

作者：张琼月马新郭德宇付松倪彬彬武汉大学电子信息学院空间物理系武汉430072

哨声模合声波是地球内磁层中一种典型的等离子体电磁波动,对辐射带电子动态演化起着至关重要的作用.合声波可以与外辐射带电子发生相互作用,将电子散射至损失锥进而沉降至大气;此外合声波也能将几十keV的电子加速到几MeV,是辐射带相对... 详细信息

哨声模合声波是地球内磁层中一种典型的等离子体电磁波动,对辐射带电子动态演化起着至关重要的作用.合声波可以与外辐射带电子发生相互作用,将电子散射至损失锥进而沉降至大气;此外合声波也能将几十keV的电子加速到几MeV,是辐射带相对论电子的重要来源.因此,快速准确地计算合声波对辐射带电子的扩散系数,对于优化地球辐射带动理学建模并深入理解电子通量的演化机制具有重要作用.本研究利用Full Diffusion Code(FDC)定量计算了典型合声波波模对辐射带电子的弹跳平均投掷角、能量和交叉扩散系数,并建立了地球内磁层空间中L为2~7、背景环境参数α^(*)为1~13,投掷角α_(eq)为0°~90°、能量Ek为10 eV~10 MeV的电子散射系数矩阵数据库.在此基础上通过线性插值方法可以快速得到不同L和α^(*)参数条件下的合声波对辐射带电子的扩散系数,并计算相对误差验证应用线性插值方法的合理性和准确性.基于扩散系数矩阵数据库,本研究还计算了合声波散射辐射带电子的损失时间尺度,建立了以L、α^(*)和Ek为输入参数的电子损失时间尺度经验模型,从而可以快速获取合声波散射电子的损失时间尺度.结果表明,扩散系数矩阵数据库构建和线性插值方法的使用大幅度减少了获取不同L和α^(*)对应的扩散系数所需时间,同时建立的三维损失时间尺度经验模型可快速得到不同L、α^(*)和Ek所对应合声波散射辐射带电子的损失时间尺度,这些结果提高了地球辐射带动理学建模效率,对于空间天气预报具有重要意义.

关键词：波粒相互作用合声波辐射带电子扩散系数损失时间尺度

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初始大扰动条件下双流系统的粒子相空间振荡

地球物理学报 2024年第1期67卷 1-11页

作者：焦鹿怀付松倪彬彬张援农武汉大学电子信息学院空间物理系武汉430072

双流系统产生的不稳定性过程是近地空间中常见的等离子体不稳定性现象.地球磁尾、等离子体片边界层、地球弓激波、太阳风、极隙区和极光加速区观测到的静电孤立波被认为是由双流不稳定性产生.地球空间环境并非均匀稳态,因此对双流系统... 详细信息

双流系统产生的不稳定性过程是近地空间中常见的等离子体不稳定性现象.地球磁尾、等离子体片边界层、地球弓激波、太阳风、极隙区和极光加速区观测到的静电孤立波被认为是由双流不稳定性产生.地球空间环境并非均匀稳态,因此对双流系统演化过程的研究往往需要考虑初始的扰动.利用所建立的动理论粒子云模型方法,我们研究了初始大扰动下双流系统的不稳定性现象,发现初始大扰动条件下粒子相空间产生振荡现象,且振荡频率与初始扰动的空间波数有关,电场与电场能量也存在该频率成分.通过线性理论,求解出了粒子相空间振荡频率.它与粒子云模拟得到的频率一致.该频率为朗缪尔振荡频率的基础之上叠加一个与初始扰动的空间波数有关的频率偏移量.我们改变等离子体频率,进一步验证了上述结论.该研究结果表明初始扰动能够对双流系统的不稳定性现象产生重要影响,对于加深理解地球磁层中双流系统的演化过程有重要参考意义.

关键词：双流不稳定性粒子云模拟初始扰动线性理论

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基于引导扩散模型的自然对抗补丁生成方法

电子学报 2024年第2期52卷 564-573页

作者：何琨佘计思张子君陈晶汪欣欣杜瑞颖武汉大学国家网络安全学院湖北武汉430072 武汉大学空天信息安全与可信计算教育部重点实验室湖北武汉430072 武汉大学日照信息技术研究院山东日照276800 地球空间信息技术协同创新中心湖北武汉430079

近年来,物理世界中的对抗补丁攻击因其对深度学习模型安全的影响而引起了广泛关注.现有的工作主要集中在生成在物理世界中攻击性能良好的对抗补丁,没有考虑到对抗补丁图案与自然图像的差别,因此生成的对抗补丁往往不自然且容易被观察者... 详细信息

近年来,物理世界中的对抗补丁攻击因其对深度学习模型安全的影响而引起了广泛关注.现有的工作主要集中在生成在物理世界中攻击性能良好的对抗补丁,没有考虑到对抗补丁图案与自然图像的差别,因此生成的对抗补丁往往不自然且容易被观察者发现.为了解决这个问题,本文提出了一种基于引导的扩散模型的自然对抗补丁生成方法.具体而言,本文通过解析目标检测器的输出构建预测对抗补丁攻击成功率的预测器,利用该预测器的梯度作为条件引导预训练的扩散模型的逆扩散过程,从而生成自然度更高且保持高攻击成功率的对抗补丁.本文在数字世界和物理世界中进行了广泛的实验,评估了对抗补丁针对各种目标检测模型的攻击效果以及对抗补丁的自然度.实验结果表明,通过将所构建的攻击成功率预测器与扩散模型相结合,本文的方法能够生成比现有方案更自然的对抗补丁,同时保持攻击性能.

关键词：目标检测对抗补丁扩散模型对抗样本对抗攻击深度学习

结合局部全局特征与多尺度交互的三维多器官分割网络

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中国图象图形学报 2024年第3期29卷 655-669页

作者：柴静雯李安康张浩马泳梅晓光马佳义武汉大学电子信息学院武汉430072

目的高度适形放射治疗是常用的癌症治疗方法,该方法的有效性依赖于对癌组织和周边多个危及器官(organ at risk,OAR)解剖结构的精确刻画,因此研究三维图像多器官的高精度自动分割具有重要意义。以视觉Transformer(vision Transformer,V... 详细信息

目的高度适形放射治疗是常用的癌症治疗方法,该方法的有效性依赖于对癌组织和周边多个危及器官(organ at risk,OAR)解剖结构的精确刻画,因此研究三维图像多器官的高精度自动分割具有重要意义。以视觉Transformer(vision Transformer,ViT)和卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)结合为代表的三维医学图像分割方法表现出了丰富的应用优势。然而,这类方法往往忽略同一尺度内和不同尺度间的信息交互,使得CNN和ViT特征的提取和融合受限。本文提出一种端到端多器官分割网络LoGoFUNet(local-global-features fusion UNet),旨在应对现有方法的缺陷。方法首先,针对单一器官分割,提出在同一尺度下并行提取并融合CNN和ViT特征的LoGoF(local-global-features fusion)编码器,并构建了一个端到端的三维医学图像分割多尺度网络M0。此外,考虑到器官内部以及器官之间的相互关系,该方法在M0网络的基础上设计并引入了多尺度交互(multi-scale interaction,MSI)模块和注意力指导(attention guidance,AG)结构,最终形成了LoGoFUNet。结果在Synapse数据集和SegTHOR(segmentation of thoracic organs at risk)数据集上,本文方法相比于表现第2的模型,DSC(Dice similarity cofficient)指标分别提高了2.94%和4.93%,而HD95(Hausdorff distance_95)指标则分别降低了8.55和2.45,切实提升了多器官分割任务的性能表现。在ACDC(automatic cardiac diagnosis challenge)数据集上,3D分割方法的适用性大多较差,但LoGoFUNet依然得到了比2D先进方法更好的结果,说明其对数据集的适应能力更强。结论该方法的分割模型综合尺度内和尺度间的信息交互,具有更好的分割结果,且在数据集上的泛化性更好。

关键词：多器官分割深度神经网络(DNN) 视觉Transformer(ViT) 局部全局特征多尺度交互(MSI)